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Die
Erfindung betrifft ein System zur Überwachung von Muskelaktivität im Rücken-, Nacken-
und Schulterbereich, mit Leitungen für Elektroden zur Aufnahme des
Elektromyogramms und einer Einrichtung zum Auswerten des Elektromyogramms.
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Die
DE 39 40 851 A1 beschreibt
ein elektronisches Kontrollgerät
zur Vermeidung von Haltungsschäden
mit einem Neigungssensor, der eine Aussage über die Neigung der Wirbelsäule trifft
und bei Erreichen einer unerwünschten
Neigung der Wirbelsäule
ein akustisches oder optisches Warnsignal auslöst. Auf Verspannungen, insbesondere
der Rücken-,
Nacken- und Schultermuskulatur geht die Einrichtung jedoch nicht
ein.
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Die
DE 197 13 947 C2 zeigt
ein Elektromyographie-Biofeedbackgerät für Entspannungstraining, mit
welchem der Proband bestimmte physiologische Vorgänge, die
scheinbar autonom ablaufen, unter seine willkürliche Kontrolle bringen kann. Über die konkrete
Ausführungsform
eines derartigen Geräts werden
keine genauen Angaben gemacht.
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Die
WO 2004/043257 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Diagnose und/oder Therapie
von Funktionsstörungen
der Halswirbelsäule
mit' einer aufwendigen
technischen Einrichtung, welche eine Anwendung im Alltag nicht zulässt.
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Schließlich sind
auch Vorrichtung zum Muskeltraining durch Elektrostimulation bekannt,
mit welchen über
am Körper
angebrachte Elektroden verschiedene Muskeln stimuliert werden. Beispielsweise beschreibt
die
DE 102 48 235
A1 ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung.
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Rückenschmerzen
zählen
zu den häufigsten Volkskrankheiten,
wodurch auch die dadurch bedingten Krankenstände zugenommen haben. Insbesondere
an Computer-Arbeitsplätzen
und bei lang andauernden sitzenden Tätigkeiten sind durch falsche Körperhaltung
und durch Stress ausgelöste
Muskelverspannungen der Auslöser
für Nacken- und Rücken- bis
hin zu Kopfschmerzen. Zum Abbau derartiger unbewusster Muskelverspannungen
werden Biofeedbackmethoden einge setzt, über welche der Person die Muskelverspannung
bewusst gemacht und die Person zu Gegenmaßnahmen veranlasst wird.
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Das
Ziel der gegenständlichen
Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems zur Überwachung
von Muskelaktivität
im Rücken-,
Nacken- und Schulterbereich, welches einfach in der Handhabung und
Bedienung ist, so dass eine häufige
Verwendung möglich
ist. Von der Norm abweichende Muskelaktivität soll möglichst zuverlässig erkannt
werden, so dass Rückenschmerzen
wirkungsvoll reduziert werden können.
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Gelöst wird
die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch,
dass die Elektrodenleitungen zur Aufnahme des Elektromyogramms in
einem Nackenband integriert sind, und mit der tragbar ausgebildeten
Auswerteeinrichtung verbunden sind. Das erfindungsgemäße Überwachungssystem
zeichnet sich durch besonders einfache Handhabung aus, welche darin
besteht, dass die betreffende Person das Nackenband mit den darin
integrierten Elektrodenleitungen umlegt, die im gewünschten
Bereich des Rückens,
Nackens und der Schulter angeordneten Elektroden mit den Leitungen
verbindet und schließlich
des Nackenband und die Elektrodenleitungen an die tragbar ausgebildete
Auswerteeinrichtung anschließt.
Die Elektroden werden vorteilhafterweise durch übliche Klebeelektroden oder
Nadelelektroden gebildet, welche von der betreffenden Person oder
deren Angehörigen
leicht appliziert werden können.
Das Überwachungssystem
kann während
der Verrichtung der normalen Tätigkeit,
beispielsweise der Bürotätigkeit vor
einem Computerbildschirm, getragen werden und dadurch Muskelverspannungen
und in der Folge Rückenschmerzen
und Haltungsschäden
verhindert werden.
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Vorteilhafterweise
besteht das Nackenband aus einem Textilmaterial, innerhalb welchem
die Elektrodenleitungen angeordnet sind. Textilien sind besonders
flexibel und hautfreundlich und führen daher zu einem hohen Tragekomfort
und somit zu einer hohen Akzeptanz. Sofern die Elektrodenleitungen leicht
aus dem Nackenband entfernt werden können, ist dieses auch besonders
einfach, beispielsweise in der Waschmaschine, reinigbar.
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Zum
Befestigen der Elektrodenleitungen mit den Elektroden zur Aufnahme
des Elektromyogramms im Rücken-,
Nacken- und Schulterbereich ragen die Elektrodenleitungen vorzugsweise
aus dem Nackenband heraus. Für
Aufnahmen des Elektromyogramms im Nackenbereich kann beispielsweise
eine Elektrodenleitung direkt am Nackenband enden und beispielsweise über einen
Druckknopf oder dgl. mit der Klebeelektrode im Nackenbereich verbunden
werden, während
zumindest zwei weitere Elektrodenleitungen rechts und links von
diesem Anschluss aus dem Nackenband ragen und wiederum über Druckverbindungen
oder dgl. mit entsprechend positionierten Klebeelektroden verbindbar
sind. Die anderen Enden der Elektrodenleitungen werden mit der tragbar
ausgebildeten Auswerteeinrichtung verbunden. Dabei werden zur Verbindung
vorzugsweise Stecker, welche robust und leicht anwendbar sind, verwendet.
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Vorteilhafterweise
beinhaltet die Auswerteeinrichtung einen Sender zur drahtlosen Übertragung von
aus dem Elektromyogramm ausgewerteten Signalen zu einem Empfänger. Dadurch
wird die Person in ihrer Bewegung nicht eingeschränkt und
muss beispielsweise beim Entfernen des Arbeitsplatzes keine Steckverbindung
lösen.
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Der
Sender und Empfänger
kann beispielsweise durch einen Hochfrequenzsender bzw. -empfänger gebildet
sein.
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Alternativ
dazu sind auch Varianten eines Ultraschallsenders und -empfängers möglich.
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Vorteilhafterweise
ist der Empfänger
zur Verbindung mit einem Personalcomputer ausgebildet. Das ausgewertete
Elektromyogramm oder das Ergebnis des Vergleichs mit dem Schwellwert
S wird vorzugsweise drahtlos an den Personalcomputer übertragen.
Dabei erfolgt die Verwertung des Elektromyogramms, also beispielsweise
der Vergleich mit dem Schwellwert S vorzugsweise im Personalcomputer.
Dadurch kann der PC, welcher das Hauptarbeitsinstrument vieler Personen
darstellt, zugleich als Einrichtung zur Auswertung des Elektromyogramms eingesetzt
werden und es ist kein eigenes Gerät zur Auswertung der Signale
erforderlich. Die Verbindung mit dem Personalcomputer kann über standardisierte Schnittstellen,
wie z.B. USB(Universal Serial Bus)-Schnitt stellen, seriellen Schnittstellen
oder auch drahtlos über
Infrarot oder Hochfrequenz, beispielsweise nach dem Bluetooth-Standard,
stattfinden.
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Um
eine leichtere Handhabung und beispielsweise eine Reinigung des
Nackenbandes zu ermöglichen,
ist dieses mit der Auswerteeinrichtung vorzugsweise lösbar verbunden.
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Die
Auswerteeinrichtung weist vorzugsweise eine Spannungsversorgung,
ein Eingangsfilter, einen Signalverstärker, einen Analog/Digitalwandler
und einen Mikroprozessor auf. Mit diesen Schaltungskomponenten kann
eine optimale Vorverarbeitung des Elektromyogramms stattfinden.
Die Spannungsversorgung kann durch Batterien oder wiederaufladbare Akkumulatoren
gebildet werden.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Signalverstärker zumindest
ein weiteres Filter, vorzugsweise ein aktives Filter, nachgeschaltet
ist. Mit diesem nachgeschalteten Filter kann eine weitere Vorverarbeitung
der Muskelspannungssignale und eine erste Grobauswertung der Signale
erfolgen.
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Wenn
die Auswerteeinrichtung einen akustischen, optischen oder taktilen
Signalgeber umfasst, kann mit Hilfe der tragbaren Auswerteeinrichtung
ein so genannter „stand
alone"-Betrieb der
Auswerteeinrichtung erzielt werden und die Person vor unzulässigen Muskelverspannungen
akustisch, optisch oder beispielsweise durch Vibration gewarnt werden.
Somit wird der Person eine Muskelverspannung bewusst gemacht, so
dass diese aktiv dagegen ankämpfen
kann und somit Rückenschmerzen
vorbeugen kann. Dies stellt eine besonders einfache und effiziente
Realisierung eines Überwachungssystems dar,
mit welchem Rückenverspannungen
verhindert oder zumindest reduziert werden können.
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An
der Auswerteeinrichtung können
Bedienungselemente angeordnet sein, welche mit dem Mikroprozessor
verbunden sind und verschiedene Einstellungen oder Steuerungen ermöglichen.
Beispielsweise kann über
Bedienungselemente ein Aktivieren und Deaktivieren der Auswerteeinrichtung,
ein Verändern
der Empfindlichkeit, ein Verändern
der Signalhöhe
des akustischen, optischen oder takti len Signalgebers oder dgl.
erfolgen.
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Wenn
die Auswerteeinrichtung einen Speicher aufweist, kann eine Protokollierung
der aufgezeichneten Elektromyogramme erfolgen, welche später beispielsweise über einen
Personalcomputer oder dgl. ausgewertet werden können. Ebenso können in
einem Speicher relevante Daten über
jene Person, welche das Überwachungssystem
anwendet, abgelegt sein. Die Speicherung des ausgewerteten Elektromyogramms
und bzw. oder des Ergebnisses des Vergleichs mit dem Schwellwert
S ermöglicht nachträglich eine
genaue Auswertung der Signale, welche wichtige Hinweise für den Probanden
aber auch beispielsweise behandelnde Ärzte geben kann.
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Wenn
die Auswerteeinrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung von Stimulationssignalen
aufweist, welche mit den Elektrodenleitungen verbunden ist, können bei
Bedarf an die Elektroden Signale zur Stimulation der Nerven angelegt
werden. Somit kann automatisch bei Erkennen unzulässig hoher Muskelverspannungen
ein Stimulationssignal an die entsprechenden Muskel gesendet werden,
wodurch das Lösen
der Muskelverspannungen unterstützt wird.
Eine derartige transkutane Nervenstimulation (TENS) wird bereits
seit Jahren erfolgreich in der Schmerztherapie angewendet. Die Stimulationssignale
werden über
die selben Oberflächenelektroden angelegt,
welche zur Aufnahme der Elektromyogramme verwendet werden. Die Schwelle,
ab welcher eine Muskelverspannung festgestellt und eine Stimulation
eingeleitet wird, kann vorzugsweise an der Auswerteeinrichtung eingestellt
werden. Bei Überschreitung
des Schwellwerts S für
das Elektromyogramm über
eine einstellbare Zeit t1 oder bei Überschreitung
des Schwellwertes SI für
das Steuerungssignal I kann automatisch ein elektrisches Stimulationssignal
an die Elektroden angelegt werden, welches durch Nervenstimulation
unterstützend
auf die Auflösung
von Muskelverspannung wirkt.
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Vorteilhafterweise
ist die Auswerteeinrichtung zur Verarbeitung des Elektromyogramms
und zum Vergleich des Elektromyogramms mit einem aus einem in entspanntem
Muskelzustand aufgenommenen Elektromyogramm berechneten Schwellwert
S ausgebildet. Eine Überschreitung
des Schwellwerts S weist auf eine Muskelverspannung hin und kann somit
entsprechende Signale, wie z.B. akustische, optische oder taktile
Signale auslösen,
wodurch die Person zu einer Entspannung angeregt wird.
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Vorteilhafterweise
ist die Auswerteeinrichtung zur Berechnung des Schwellwerts S nach
der Beziehung S = kR + X ausgebildet, wobei R die Muskelspannung
im entspannten Zustand und k und X beliebige Parameter sind. Die
Parameter k und X können
an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden, so dass eine optimale
Erkennung von Muskelverspannungen möglich wird.
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Das
ausgewertete Elektromyogramm oder das Ergebnis des Vergleichs mit
dem Schwellwert S wird gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung in einem Teil des Bildschirms des
Personalcomputers angezeigt. Dadurch wird ermöglicht, dass während der
täglichen
Arbeit am Bildschirm ein Status über
die aktuelle Muskelverspannung, beispielsweise in der Taskleiste
wiedergegeben wird, wodurch unmittelbar auf unzulässige Muskelverspannungen
hingewiesen wird.
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Dabei
kann beispielsweise die Farbe der Bildschirmanzeige in Abhängigkeit
des Vergleichsergebnisses mit dem Schwellwert S verändert werden. Beispielsweise
kann in der Taskleiste des Bildschirmes eine Form grün dargestellt
werden, wenn die Muskelspannung minimal ist, wobei die Farbe beim Überschreiten
einer voreingestellten Schwelle auf gelb wechselt und bei Alarmauslösung schließlich rot als
Warnsignal annimmt. Ohne dass die Person die normale PC-Arbeit unterbrechen
muss, wird hier über
diesen Farbindikator der Zustand der Muskelverspannung angezeigt.
Dadurch können
rasch Muskelverspannungen vermieden und Rückenschmerzen reduziert werden.
Neben der optischen Darstellung ist auch eine akustische Signalisierung
durch bestimmte Töne
und deren Veränderung
möglich.
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Vorteilhafterweise
wird ein Signal bei Überschreitung
des Schwellwertes S über
eine einstellbare Zeit t1 ausgegeben. Der
Schwellwert S und die Zeit t1 können an
die Person individuell eingestellt werden.
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Optimale
Ergebnisse werden dadurch erzielt, dass während der Überschreitung des Schwellwertes
S ein Steuersignal I kontinu ierlich erhöht und während der Unterschreitung des
Schwellwerts S kontinuierlich abgesenkt wird und ein Signal dann ausgegeben
wird, wenn das Steuerungssignal I einen einstellbaren Schwellwert
SI überschreitet.
Dadurch können
kurze Ausreißer
und somit Fehlmeldungen reduziert werden und eine optimale Alarmgebung
bei tatsächlichen
Muskelverspannungen erzielt werden.
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Bei
fehlerhaftem oder fehlendem Elektrodenkontakt wird vorteihafterweise
ein Warnsignal ausgegeben, so dass Fehlmessungen verhindert werden können.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
des Überwachungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 und 3 zwei
Varianten eines Nackenbandes mit darin integrierten Elektrodenleitungen;
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4 ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform
einer Auswerteeinrichtung;
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5 eine
weitere Variante des Überwachungssystems
mit Anbindung an einen PC; und
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6 eine
Variante des Verfahrens zur Auswertung des Elektromyogramms.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
des Systems zur Überwachung
von Muskelaktivität
im Rücken-,
Nacken- und Schulterbereich, wobei Leitungen 1 für Elektroden 2 zur
Aufnahme des Elektromyogramms vorgesehen sind, welche in einem Nackenband 3 integriert
sind und mit einer tragbar ausgebildeten Auswerteeinrichtung 4 verbunden
sind. Die Elektroden 2 können durch Klebeelektroden
oder Nadelelektroden gebildet sein, welche an den gewünschten
Stellen, insbesondere im Rücken-,
Nacken- und Schulterbereich an der Haut angeordnet werden. Die mittlere
Elektrode 2 der dargestellten drei Elektroden 2 kann
auch direkt am Nackenband 3 angeordnet sein. Die Elektroden 2 werden
beispielsweise über Druckknöpfe oder
Klipse mit den Elektrodenleitungen 1 verbunden. Das Nackenband 3 ist vorzugsweise
lösbar
mit der Auswerteeinrichtung 4, beispielsweise über entsprechende
Steckverbindungen 5, verbunden. Durch Lösen der Steckverbindungen 5 kann
das Nackenband 3 beispielsweise zum Zwecke des Anlegens
leicht von der Auswerteeinrichtung 4 gelöst werden.
Das Nackenband 3 ist vorzugsweise aus Textilmaterial hergestellt,
innerhalb welchen die Elektrodenleitungen 1 angeordnet
sind. Um die gewünschten
Stellen zur Aufnahme des Elektromyogramms erreichen zu können, ragen
die Elektrodenleitungen 1 eine bestimmte Länge aus
dem Nackenband 3. Die Auswerteeinrichtung 4 verarbeitet
das über
die Elektroden 2 aufgenommene Elektromyogramm und zeigt Überschreitungen
eines bestimmten Schwellwerts S, beispielsweise optisch über einen
optischen Signalgeber 6 oder akustisch über einen akustischen Signalgeber 7 an.
Zusätzlich kann
auch ein taktiler Signalgeber (nicht dargestellt) vorgesehen sein,
welcher der Person über
ein Vibrationssignal das Überschreiten
eines bestimmten Schwellwerts S im Elektromyogramm anzeigt. An der Auswerteeinrichtung 4 können weiters
Bedienungselemente 8, wie z.B. Schalter oder Regler, vorgesehen sein.
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Die 2 und 3 zeigen
Varianten eines Nackenbandes 3 mit integrierten Elektrodenleitungen 1,
wobei je nach Anwendungsfall die Elektrodenleitungen 1 an
unterschiedlichen Stellen am Nackenband 3 aus diesem ragen.
An den Stellen, an welchen die Elektrodenleitungen 1 aus
dem Nackenband 3 ragen, können zur Verstärkung Ösen (nicht dargestellt)
vorgesehen sein. Zur Verbindung mit der Auswerteeinrichtung 4 ist
vorzugsweise ein Steckverbinder 5 vorgesehen.
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4 zeigt
die Bestandteile der Auswerteeinrichtung 4. Die mit den
Elektroden 2 verbundenen Elektrodenleitungen 1 werden
allenfalls über
eine Steckverbindung (nicht dargestellt) mit einem Eingangsfilter 9 verbunden.
Danach passieren die Signale einen Signalverstärker 10, allenfalls
ein weiteres Filter 11, insbesondere ein aktives Filter,
und werden von einem Analog-Digitalwandler 12 digitalisiert
und einem Mikroprozessor 13 zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Im
Mikroprozessor 13 kann eine Verarbeitung des digitalisierten
Elektromyogramms erfolgen. Beispielsweise kann ein Vergleich mit
einem eingestellten Schwell wert S vorgenommen werden und bei Überschreiten
des Schwellwerts S über
eine voreingestellte Zeit t1 ein Signal
beispielsweise über
einen akustischen Signalgeber 7 abgegeben werden. Bedienungselemente 8 können zur
Einstellung, insbesondere Veränderung
des Schwellwerts, dienen. Zur Aufzeichnung der Signale oder auch
zum Ablegen von personenspezifischen Daten kann ein Speicher 14 vorgesehen
sein, welcher vorzugsweise mit dem Mikroprozessor 13 verbunden
ist. Über
eine Spannungsversorgung 15, welche insbesondere durch Batterien
oder wiederaufladbare Akkumulatoren gebildet ist, werden die Komponenten
der Auswerteeinrichtung 4 mit elektrischer Energie versorgt.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Sender 16 vorgesehen, über welchen
die digitalisierten Elektromyogramme oder Ergebnisse von Vergleichen,
welche im Mikroprozessor 13 vorgenommen wurden, an einen
Empfänger 18 (siehe 5)
drahtlos übermittelt
werden können.
Der Sender 16 kann durch einen Hochfrequenzsender, Ultraschallsender
oder auch einen Infrarotsender oder dgl. gebildet sein.
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Weiters
kann eine Einrichtung 17 zur Erzeugung von Stimulationssignalen
vorgesehen sein, über
welche Stimulationssignale über
die Elektrodenleitung 1 an die Elektroden 2 zur
transkutanen Nervenstimulation abgegeben werden können. Bei
zu großen
Muskelverspannungen kann durch eine transkutane Nervenstimulation
die Verspannung gelöst
werden. Vorzugsweise erfolgt diese Nervenstimulation automatisch,
wenn eine individuell einstellbare Schwelle S im Elektromyogramm überschritten wird.
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5 zeigt
ein Überwachungssystem,
umfassend ein Nackenband 3 mit den darin integrierten Elektrodenleitungen 1 zur
Verbindung mit Elektroden 2 und die Auswerteeinrichtung 4,
welche die Daten drahtlos an einen Empfänger 18 übermittelt.
Der Empfänger 18 ist
vorzugsweise zur Verbindung mit einem Personalcomputer 19 ausgebildet.
Diese Verbindung kann über
standardisierte Schnittstellen, wie z.B. USB (Universal-Serial-Bus)-Schnittstellen,
seriellen Schnittstellen aber auch über Infrarot oder Hochfrequenz
gebildet werden. Somit kann das Überwachungssystem
während
der Bildschirmarbeit verwendet werden und beispielsweise das ausgewertete
Elektromyogramm oder das Ergebnis eines Ver gleichs mit einem Schwellwert
S in einem Teil des Bildschirms 20 des Personalcomputers 19 angezeigt werden.
Dadurch wird der Person während
der normalen Tätigkeit
ein Hinweis über
den Grad seiner Muskelverspannung gegeben, wodurch er rasch Gegenmaßnahmen
ergreifen und Rückenschmerzen und
in der Folge Haltungsschäden
vermeiden kann.
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6 zeigt
Zeitdiagramme zur Veranschaulichung einer Methode der Ermittlung
eines Schwellwerts S, welcher für
Muskelverspannungen relevant ist. Das Diagramm 21 zeigt
den zeitlichen Verlauf eines Elektromyogramms. Gemäß einer
Auswertevariante kann ein Alarm A dann ausgelöst werden, wenn eine voreingestellte
Schwelle S eine vorbestimmte Zeit t1 überschreitet.
Im Zeitdiagramm 22 erfolgt die Verarbeitung dermaßen, dass
bei Überschreitung des
Schwellwerts S ein Steuerungssignal I kontinuierlich erhöht und während der
Unterschreitung des Schwellwerts S kontinuierlich abgesenkt wird.
Ein Alarm A wird dann ausgelöst,
wenn das Steuerungssignal I einen einstellbaren Schwellwert SI überschreitet.
Zusätzlich
kann die Amplitude für
das Steuerungssignal I in Bereiche, z.B. drei Bereiche B1 bis B3,
eingeteilt werden. Diesen Bereichen B1 bis B3 können Farben, beispielsweise
grün für B1, gelb
für B2
und rot für
B3, zugeordnet werden, welche in der Taskleiste des Bildschirms
des Personalcomputers als Indikator für die Muskelverspannung angezeigt werden
können.
Dadurch wird der Person optisch und farblich ein Hinweis über den
Zustand seiner Muskelverspannung dargestellt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein einfaches und effizientes Gerät zur Überwachung
von Muskelaktivität
vorzugsweise im Rücken-,
Nacken- und Schulterbereich dar.